Novo algoritmo quântico resolve problema “impossível” de materiais em segundos

Com os avanços em computação quântica, empresas porquê IBM, Google e startups deep tech estão acelerando uma novidade revolução tecnológica. Esse movimento impacta diretamente áreas porquê:

• Qubits: Unidades fundamentais que permitem processamento exponencialmente mais rápido
• Criptografia: Sistemas atuais podem se tornar vulneráveis com computadores quânticos avançados
• Invenção de medicamentos: Simulações moleculares mais rápidas e precisas
• Otimização: Aplicações em logística, finanças e perceptibilidade sintético

Os pesquisadores podem organizar essas camadas em estruturas ainda mais complexas, incluindo quasicristais e materiais super-moiré. Mas prever como esses materiais exóticos se comportarão é extraordinariamente difícil. Os quasicristais são tão complexos matematicamente que sua simulação pode envolver mais de um quatrilhão de números, uma escala muito além do alcance dos supercomputadores mais poderosos da atualidade.

Algoritmo quântico resolve problema de materiais massivos

Cientistas do Departamento de Física Aplicada da Universidade Aalto desenvolveram um algoritmo inspirado na mecânica quântica capaz de lidar com esses enormes materiais quânticos não periódicos quase instantaneamente. O professor assistente José Lado afirma que o trabalho também destaca um ciclo de feedback promissor dentro da própria tecnologia quântica.

“Fundamentalmente, esses novos algoritmos quânticos podem viabilizar o desenvolvimento de novos materiais quânticos para construir novos paradigmas de computadores quânticos, criando um ciclo de feedback bidirecional produtivo entre materiais quânticos e computadores quânticos”, explica ele.

Esse avanço poderá, eventualmente, viabilizar o desenvolvimento de eletrônicos sem dissipação, que conduzem eletricidade sem perda de energia. Tais sistemas podem ajudar a reduzir a crescente demanda de calor e energia dos data centers baseados em inteligência artificial.

A equipe de pesquisa foi liderada por Lado e incluiu o doutorando Tiago Antão, principal autor do artigo; o doutorando do QDOC Yitao Sun; e o pesquisador da Academia Adolfo Fumega. Suas descobertas foram recentemente publicadas na Physical Review Letters como uma Sugestão do Editor.

Simulação de quasicristais topológicos

Os pesquisadores se concentraram em quasicristais topológicos, materiais incomuns que abrigam excitações quânticas não convencionais. Essas excitações são especialmente valiosas porque ajudam a proteger a condutividade elétrica de ruídos e interferências disruptivas. No entanto, elas são distribuídas de forma desigual por toda a estrutura já altamente complexa de um quasicristal.

Em vez de tentar calcular diretamente a estrutura completa do material, a equipe reformulou o desafio usando métodos semelhantes aos utilizados por computadores quânticos.

“Os computadores quânticos operam em espaços computacionais exponencialmente grandes, então usamos uma família especial de algoritmos para codificar esses espaços, conhecida como redes tensoriais, para calcular um quasicristal com mais de 268 milhões de sítios. Nosso algoritmo mostra como problemas colossais em materiais quânticos podem ser resolvidos diretamente com o aumento exponencial de velocidade que vem da codificação do problema como um sistema quântico de muitos corpos”, diz Antão.

Nesta fase, o trabalho permanece teórico e foi realizado por meio de simulações, mas os pesquisadores afirmam que testes experimentais e aplicações futuras já estão sendo considerados.

“O algoritmo inspirado na física quântica que demonstramos nos permite criar quasicristais super-moiré várias ordens de magnitude acima das capacidades dos métodos convencionais. Esse é um passo fundamental para projetar qubits topológicos com materiais super-moiré para uso em computadores quânticos, por exemplo”, diz Lado.

Em direção a aplicações práticas da computação quântica

Segundo Lado, o algoritmo poderá eventualmente ser adaptado para funcionar em computadores quânticos reais, assim que o hardware estiver suficientemente avançado.

“Nosso método pode ser adaptado para funcionar em computadores quânticos reais, assim que eles atingirem a escala e a fidelidade necessárias. Em particular, o novo AaltoQ20 e a Infraestrutura Finlandesa de Computação Quântica podem desempenhar um papel significativo em futuras demonstrações”, afirma Lado.

Os resultados sugerem que o estudo e o desenvolvimento de materiais quânticos exóticos podem se tornar uma das primeiras aplicações práticas para algoritmos quânticos e sistemas de computação quântica.

O projeto também reúne duas importantes áreas da pesquisa quântica finlandesa: materiais quânticos e algoritmos quânticos. Ele faz parte do projeto ULTRATWISTROICS, financiado pelo Conselho Europeu de Investigação (ERC) e direcionado a Lado, que se concentra no desenvolvimento de qubits topológicos utilizando materiais de van der Waals, bem como do Centro de Excelência em Materiais Quânticos (QMAT), cujo objetivo é impulsionar as tecnologias quânticas do futuro.